基于WTW的電動汽車效率研究

曹曉光，趙青青

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

環境問題的日益嚴重，使世界各國都在努力的開發研究降低二氧化碳(CO2)排放量的方法，為了有效的減少碳化物排放，各國紛紛重新開始重視電動汽車(Electric Vehicle，簡稱EV)的發展。當然開發電動汽車還有另一個重要的原因，那就是節油。石油是一次性能源，在交通領域的消耗逐年增長，據國際能源部預計，2020年交通用油將占石油總消耗的62%以上。汽車作為石油的主要使用者，必須轉變方式，相對傳統內燃機汽車，電動汽車則具有無可比擬的優勢。一些大型汽車制造商都生產了自己的電動汽車，其中一些已經面向社會出售。純電動汽車在行駛過程中零排放，但由于電池開發技術不成熟，續駛里程大約為100英里或者更少，一般用于觀光旅行車，垃圾清掃車或者代步車。混合動力汽車則是為了克服電池問題和純電動汽車續駛里程短的缺點而開發，但由于混合動力汽車有多種動力單元，控制復雜，從長遠看不具備經濟可行性，因而抑制了生產量，但是混合動力汽車的使用是一個必不可少的過渡階段。燃料電池電動汽車便成為相對可行的新能源汽車，它不僅零排放更無續駛里程短的擔憂，但燃料電池的生產及投入使用相對復雜，是國內外現階段研究的主要難題之一。

大部分人認為電動汽車零排放，能源效率高。如果只考慮排氣管的排放物，內燃機汽車會排放二氧化碳等溫室氣體及粉塵顆粒，而電動汽車排放物為零。然而，這是不全面的，要準確比較這兩種不同類型汽車的排放，就要從全生命周期進行考慮，即把燃料生產過程中產生的排放也計算其中。對于電動汽車來說，這包括由原油生產為電池時所產生的排放。那么相對而言，能源效率高也不能只考慮到內燃機有不完全燃燒帶來的能量損耗，而要從全生命周期進行考慮。

1 “原油-車輪”分析

“原油-車輪”(Well To Wheels，簡稱WTW)效率是指汽車從原油提取到驅動車輪的總效率，包括每個階段的能量轉換，運輸，傳送效率。能量轉換的過程可分為兩段：“原油-油箱”(WTT)，“油箱-車輪”(TTW)。運輸的燃料是由原產地提取并經過加工而制成，油箱中的燃料是經過能量轉換為車輪提供驅動力。WTT包括原料的回收，處理，運輸，儲存，以及燃料的提取，運輸，儲存和分配。TTW包括從油箱到車輪的能量轉換和傳送過程。WTW是用來評估新能源汽車發展可行性一種重要的方法。進行分析時，還會用到物理基本定律，基于輸入參數的化學定律，數值計算，技術標準，還要考慮駕駛員習慣[1]。如圖1所示為WTW效率計算步驟。

圖1 WTW效率計算步驟

從理論來講，由于汽油機和柴油機排量大，在動力傳動時部件有能量損耗，所以傳統內燃機汽車(Internal Combustion Engine Vehicle，簡稱ICEV)的TTW效率比較低。而混合動力汽車的發動機排量小，燃油消耗量就小，TTW效率就高于傳統內燃機。而純電動汽車工作于純電動模式，因此它的TTW效率是最高的。如果將WTT效率同時考慮時，內燃機汽車和電動汽車的WTW效率則會有所改變。

2 電動汽車與內燃機汽車效率比較

遵循WTW的思路，對電動汽車效率的分析可分為三部分：能量產生階段，能量傳遞階段，能量使用階段。則電動汽車的WTW效率如圖2所示。

圖2 電動汽車從原油提煉到驅動車輪的能量處理過程

由圖2可知純電動汽車的總效率為：

式中：P0為電動汽車輸出能量；PI為輸入總能量；PLi為各階段損失能量，i=1，2，3，4，5，6，7；η為各階段效率ηi，i=1，2，3，4，5，6，7。

內燃機汽車的效率分析則包括原油到燃油的精煉過程，煉油廠到加油站的運輸過程，內燃機的燃燒過程，燃料到車輪的傳遞過程。則內燃機汽車的WTW效率如圖3所示。

圖3 內燃機汽車從原油提煉到驅動車輪的處理過程

由圖3可知，內燃機的總效率為ηICEV=η1η2η3η4。根據美國能源部的數據，純電動汽車和內燃機汽車在能量轉換過程中的效率范圍見表1。

表1 純電動汽車和內燃機汽車在能量轉換各過程效率

根據表1中數據，取平均值，可計算出電動汽車的WTW效率ηEV=17.68%，內燃機汽車的WTW效率ηICEV=16.89%，電動汽車效率略高于內燃機汽車，相差不大。

為了進一步評估計算結果的準確性，引進國外的GREET模型加以驗證。GREET是溫室氣體(Greenhouse gases)，規定的排放值(Regulated Emissions)，運輸中的能量消耗(Energy use in Transportation)的縮寫。GREET模型是美國阿貢實驗室用來估測汽車的WTW效率和排放影響的[2]，其中包含100多種燃油生產途徑和70多種汽車系統，是一個基于電子表格的模型。利用GREET模型測出的兩種汽車的WTW效率見表2。

將計算結果與測試數據對比，驗證了電動汽車與內燃機汽車的總效率相差不大。

表2 應用GREET模型對乘用車能量消耗和效率的測試結果

3 結束語

WTW研究方法客觀的評價了車用燃料全生命周期的效率，由于其評價因素較多，不能準確的體現能量用使用的全過程。從表2中可以看出導致電動汽車與內燃機汽車的總效率基本相同是由于電動汽車的WTT效率較低，即從原料到電池的生產。這是因為我國發電站多采用火力發電，相對于在電網中占主導地位的水電，核電，天然氣，或者其它的低碳電力來源，在電能生產環節會消耗大量的能源。如果能大量采用風能，太陽能，核電等，可以進一步提高能量利用效率。

【參 考 文 獻】

[1]Bossel U.Well-to-wheel studies，heating values，and the energy conservation principle [A].Proceedings of 2003 Fuel Cell Forum [C].Oberrohrdorf，Switzerland，2003.

[2]Argonne National Laboratory.GREET model-The greenhouse gases，regulated emissions，and energy use in transportation model [EB/OL].http：//www.transportation.anl.gov/modeling_simulation/GREET/index.html.